（微电子学与固体电子学专业论文）高k栅介质ge+mos电容特性与制备研究.pdf

摘要 摘要 在集成电路集成度不断提高，器件尺寸已经进入纳米尺度并且还在不断缩小 的发展趋势下，使用传统的s i s i 0 2 多晶硅结构会因为过薄的s i 0 2 栅介质层而导致 直接隧穿电流的急剧增大，从而使整个m o s f e t 功能失效。而采用高k 介质材料 代替传统的s i 0 2 栅介质，能使得整个m o s 结构在保持性能的同时又具有厚的栅 氧化层，可以抑制隧穿电流的增。同时，在纳米尺度下，极易产生强场，而s i 沟 道的载流子迁移率较低，在强场下很容易达到速度饱和从而限制小尺寸器件性能 的进一步提高。最后，高k 介质与多晶硅栅不兼容会引起的阈值电压升高和载流 子迁移率的衰减。因此，用载流子迁移率高的g e 沟道取代s i 沟道，用金属栅取 代多晶硅栅，形成g e 高k 介质金属栅电极结构解决上述问题，成为了发展下一 代半导体器件的优秀选项。 本文主要研究了g e 高k 介质金属栅电极结构所面临的界面态密度较大问题 以及改善界面特性的一些方法，包括n h 3 表面钝化、超薄s i 表面钝化、界面f 化、 堆垛层结构、p d a 和p m a 这六种界面处理技术的原理和效果，并提出了对于提高 g e 衬底高k 介质界面质量方法的一般性规律，为后续的研究提供理论基础。最后， 还实验制备了分别采用h f 0 2 、a 1 2 0 3 和n d 2 0 3 作为栅介质的g e m o s 电容并进行 了c - v 曲线测量，通过测量结果提取分析相关电学参数，为以后的相关生产制备 提供实验数据。 本论文的研究结果表明，如果不经过界面处理，直接在g e 衬底上生长高k 介 质薄膜，在其界面处会存在较大的界面态，在测量结果中反映为c v 特性曲线的 滞后现象严重，此外，根据实验数据推算出的a 1 2 0 3 、n d 2 0 3 薄膜厚度都比预期厚 度偏小，说明两种材料的生长速率比理论值低，分析原因为源的温度不够，建议 升高源的温度或者增加循环次数。而计算得出h i d 2 薄膜的厚度基本符合预期，说 明a l d 系统生长h f 0 2 薄膜的参数设置较好。最后，对比1 0 r i m 和1 5 n m 厚的a 1 2 0 3 栅介质g e m o s 电容的测量数据，发现其符合电容大小与栅介质厚度成反比的一 般规律。 关键词。高k 介质g e 村底界面特性a l d 技术c v 曲线 2 高k 栅介质g cm o s 电容特性与制各研究 3 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e g r a t i o no fi ci n c r e a s i n g ，t h ed e v i c eh a se n t e r e dt h en a l l o - s c a l es i z ea n d t h i st r e n di ss t i l ls h r i n k i n g ，a n du s ec o n v e n t i o n a ls i s i 0 2 p o l y s i l i c o ns t r u c t u r ew i l ll e a d t h et u n n e l i n gc u r r e n ti n c r e a s e sr a p i d l yb e c a u s eo ft h eu l t r a - t h i ns i 0 2g a t e ，c a u s et h e f u n c t i o no fm o s f e tf a i l u r e u s et h eh i g h - kd i e l e c t r i cm a t e r i a li n s t e a do ft h e t r a d i t i o n a ls i 0 2 ，m o ss t r u c t u r ec a l lk e e pt h ew h o l ep e r f o r m a n c ew h i l em a i n t a i nat h i c k g a t eo x i d el a y e r , t h i sr e s t r a i nt h ei n c r e a s eo ft u n n e l i n gc u r r e n t b u tu s i n gh i g h k d i e l e c t r i cw i l lb r i n gt w os i g n i f i c a n tp r o b l e m s ：o n ei st h es i h i g h ki n t e r f a c es t a t e d e n s i t yi sn o tg o o d ，t h eo t h e ri st h a tt h eh i g h - kd i e l e c t r i ci sn o tc o m p a t i b l e 、) i ，i t l lt h e p o l y s i l i c o n , i t si n c r e a s et h et h r e s h o l dv o l t a g ea n dd e c a yt h ec a r r i e rm o b i l i t y t h e r e f o r e ， t h eg es u b s t r a t ea n dm e t a ln e e d e dt or e p l a c et h es is u b s t r a t ea n dp o l y s i l i c o ng a t e ，t h i s g e h i g h - k m e t a lg a t ee l e c t r o d es t r u c t u r es o l v et h ep r o b l e m sa b o v ea n db e c o m ea l l e x c e l l e n tp o t i o nf o rt h en e x t - g e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rd e v i c e s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg e h i g h k m e t a lg a t e e l e c t r o d es 1 撇t u r ea n ds o m em e t h o d st oi m p r o v ei t , i n c l u d i n gn h 3s u r f a c ep a s s i v a t i o n , u l t r a - t h i ns is u r f a c ep a s s i v a t i o n , fp r o c e s s i n g ，s t a c k i n gl a y e rs 呲t u r e ，p d aa n dp m a a n dp u tf o r w a r dt oag e n e r a l l yi n f e r e n c ea b o u ti m p r o v et h eg es u b s t r a t e h i g h - k i n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s ，p r o v i d et h e o r yb a s i sf o rt h es u b s e q u e n tr e s e a r c h i nt h ee n d ， p r e p a r a t i o nt h eg e - m o sc a p a c i t o ru s i n gh f 0 2 ，a 1 2 0 3 ，n d 2 0 3a st h eg a t ed i e l e c t r i ca n d m e a s u r et h ec - vc u r v e s a n a l y s i sr e l e v a n te l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ，p r o v i d et h e e x p e r i m e n t a ld a t af o rf u t u r ep r o d u c t i o n t h er e s u l t so ft h i sp a p e rs h o wt h a t ，g r o wt h eh i g h kd i e l e c t r i cf i l m so nt h eg e s u b s t r a t ed i r e c t l yw i t h o u tp r o c e s s i n gi n t e r f a c e ，w i l le x i s tl a r g ed i ti nt h ei n t e r f a c e r e f l e c ti nt h em e a s u r e dc vc h a r a c t e r i s t i cc u r v ef o rt h es e r i o u s l a g i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h et h i c k n e s so fa 1 2 0 3a n dn d 2 0 3f i l mi ss m a l l e r t h a ne x p e c t e d , i n d i c a t et h eg r o w t hr a t eo ft h et w om a t e r i a l si sl o w e rt h a nt h et h e o r e t i c a l v a l u e a n a l y z et h er e a s o n sf o rt h es o u r c et e m p e r a t u r ei sn o te n o u g h , s u g g e s t i o nt h a t e l e v a t et h es o u r c et e m p e r a t u r eo ri n c r e a s ec y c l e s a n dt h et h i c k n e s so fh f 0 2f i l mn e a r t h ee x p e c t a t i o n s ，i n d i c a t et h ep a r a m e t e rs e t t i n go fa l ds y s t e mf o rh f 0 2f i l mg r o wi s b e t t e r f i n a l l y , c o m p a r et h e10 n ma 1 2 0 3f i l mg e - m o sc a p a c i t a n c e 、啊t l l15 n m f o u i l d t h a tt h et h i c k n e s so fg a t ei si n v e r s e l yt oc a p a c i t a n c e ，f o l l o wt h eg e n e r a l l yr u l e k e y w o r d s ：h i 【g h - kd i e l e c t r i c g es u b s t r a t ei n t e r f a c ec h a r a c t e r i s t i c a l d t e c h n o l o g y c - vc u r v e 4 高k 栅介质g em o s 电容特性与制备研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1g c 高k 介质金属栅结构的研究意义 现代经济发展的数据表明l ，g d p 每增长1 0 0 元，需要1 0 元左右电子工业产 值和l 3 元集成电路产值的支持。据美国半导体协会( s 认) 预测，到2 0 1 2 年， 集成电路全行业销售额将达到l 万亿美元，它将支持6 万亿到8 万亿美元的电子 装备、3 0 万亿美元的电子信息服务业和约5 0 万亿美元g d p 。 自2 0 世纪6 0 年代以来，集成电路一直按照g o r d o ne m o o r e 所预言的规律发 展【2 3 1 ，即晶体管尺寸每1 8 个月缩小一半，集成度每1 8 月翻一番。在过去的4 0 多年时间里，集成电路的发展经历了小规模( s s i ) 、中规模( m s i ) 、大规模( l s i ) 、 超大规模( v l s i ) 、特大规模( u l s i ) 等5 个阶段。而集成电路集成度的不断提 高取决于晶体管特征尺寸的不断减小。资料表明，器件特征尺寸已从1 9 7 8 年的 1 0 u m 发展到现在的几十纳米、甚至十几纳米，集成度达到4 1 亿晶体管片。 表1 1 给出了2 0 0 7 年国际半导体技术蓝图( i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a p f o rs e m i c o n d u c t o r ，i t r s ) 对未来半导体发展趋势的预测1 4 j 。从表1 1 中可以看出， m o s f e t 的特征尺寸不断的缩小，并最终将达到了几纳米。 表1 12 0 0 7 年i t r s 预测 年份 2 0 0 7 2 0 1 0 2 0 1 3 2 0 1 6 2 0 1 9 2 0 2 0 2 0 2 2 d r a m 半间距( 姗) 6 54 53 22 21 61 4l l m p u 栅长( 衄) 4 23 02 11 5 1 l 97 5 a s i c 栅长( 姗) 5 43 82 71 91 31 29 e o t ( n m )1 2 998777 m p u 芯片晶体管数( 百万) 3 8 67 7 37 7 37 7 31 5 4 63 0 9 2 6 1 8 4 m p u 芯片面积( m m 2 ) 1 l l1 1 18 81 4 01 1 11 l l1 1 l 芯片直径( n u n )3 0 0 3 0 03 0 03 0 03 0 04 5 04 5 0 等比例缩小原则是超大规模集成电路迅速发展的基点【5 】，即m o s 器件的物理 结构参数( 例如沟道长度l 、宽度w 、栅介质层厚度t o x 和源漏结深均等) 与电 压等均按同一个比例因子a 等比例缩小，同时衬底掺杂浓度n b 则按该因子增大a 倍，此时器件内部电场没有改变。 然而，当器件的特征尺寸缩小到纳米级别时，s i 基半导体工艺等比例缩小原 则会面临许多挑战1 6 - 7 。 ( 1 )栅氧化层击穿。极薄的栅氧化层将导致垂直与其上的电场强度易超 过其击穿场强，一旦发生击穿，栅氧化层将受到永久性损伤，失去 高k 栅介质g em o s 电容特性与制各研究 原来的绝缘阻挡层作用； ( 2 )量子隧穿效应显著并引发栅极漏电流增大； ( 3 )m o s f e t 静态功耗增加。器件的静态功耗主要取决于栅极漏电流， 因此漏电流的增大不可避免的增加了m o s f e t 的静态功耗； ( 4 )杂质扩散严重。由于栅氧化层极薄，衬底中的掺杂离子向栅氧化层 的扩散就显得尤为严重，这种扩散会污染金属栅； ( 5 )其他一些二级效应，如短沟道效应、多晶硅耗尽等效应的影响。 而这些问题之中，由于量子隧穿效应引发的栅极漏电流的增大最为重要。 由隧穿电流的表达式： 如2 茬新唧悟bq 拦 ( 1 - 1 ) r ir j j 其中如是栅介质中的电场强度，咖6 是s i 衬底和栅介质的势垒差，为 栅电压，a ，b 是与电子有效质量相关的常数。 由式( 1 1 ) 可知随着栅氧化层的减小，隧穿电流急剧增大，会严重影响m o s f e t 的可靠性、增大功率消耗、当电流增大到一定程度是，会导致器件穿通、带来驱 动性能降低和开关性能退化等问题。 正是由于以上的种种问题，人们迫切需要发展一种能在器件尺寸不断降低的 情况下，仍然能够保持良好的m o s f e t 电学性能的新的技术。而采用高k 介质层 取代传统的s i 0 2 介质层就是其中很有前景的技术。 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场( 真空中) 与最终 介质中电场的比值即为相对介电常数( p e r m i t t i v i t y ) 。在半导体领域，传统的栅介 质材料s i 0 2 的相对介电常数是3 9 ，一般来讲，人们把相对介电常数大于s i 0 2 的 栅介质材料统称为高k 介质材料。 在具有相同大小的栅电容的情况下，高k 介质栅有比传统的s i 0 2 栅更大的栅 厚度，也就是说，在相同的厚度下，高k 介质栅具有比s i 0 2 栅更大的栅电容。因 此，使用较厚的高k 栅介质材料可以起到与较薄的s i 0 2 栅介质同等的作用。 墨一一 s o u r c e c | 憎几n e i d r a i n 图1 1 基本的m o s 结构 第一章绪论3 o x i d e 图1 2m o s 平行板电容示意图 一般情况下，可以将一个基本的m o s 结构看成一个简单的平行板电容器，如 图1 1 和图1 2 所示。 其m o s 电容为： c o x = 丝兰兰! 兰生( 1 - 2 ) 1 = 一 t o x 其中4 是电容面积，k 是栅介质的有效介电常数，勖是真空介电常数 ( 8 8 5 x 1 0 。1 2 f m 1 ) ，k 是栅介质的物理厚度。 由以上公式可以推导出： a s 0 k k = ：一 ( 1 3 ) t r 【，何 由式( 1 3 ) 可以看出，当使用高k 介质材料取代传统的s i 0 2 栅材料时，由于 高k 介质的k 值大于s i 0 2 介质的k 值，在要求电容相同的情况下，高k 介质栅 氧化层的厚度必然会大于s i 0 2 栅氧化层的厚度。 例如，在9 0 n m 工艺下，s i 0 2 栅介质厚度为1 4 n m ，而如果使用k 值为2 5 的 l a 触0 3 薄膜作为栅介质时，为得到相同的电容值，l a a l 0 3 薄膜的厚度需要达到9 n m ， 又由公式( 1 1 ) 可知大的栅厚度会使隧穿电流会明显减小。因此，使用高k 材料 栅介质能有效解决小尺寸下隧穿电流不断增大的问题，成为集成电路在纳米尺寸 下继续发展的必然选择。 为了便于与目前通用的s i 0 2 栅介质做比较，人们使用等效氧化层厚度e o t ( e q u i v a l e n to x i d et h i c k n e s s ) 来表示高k 介质的厚度，其定义为： e o t ：= f s i o ：t o x k ( 1 - 4 ) 其中8 s 1 0 2 是s i 0 2 的相对介电常数( 3 9 ) 。 虽然高k 介质材料取代s i 0 2 成为栅介质能够较好的解决隧穿电流明显增大而 上下l 4 高k 栅介质g em o s 电容特性与制各研究 导致的整体泄露电流增加的问题，使得器件特征尺寸能够继续按等比例缩小规律 减小，但还是存在一些其他方面的问题【i ： 首先，高k 介质材料与传统的多晶硅栅电极不兼容，由于费米能级钉扎在高 k 介质多晶硅界面处，会导致很高的阈值电压。 其次，由于存在表面光学声子散射与反向沟道载流子的耦合，导致了极大的 载流子迁移率衰减( 如图1 4 所示) 。最后制造出的m o s f e t 很难获得好的电流传 输特性，而且开关速度降低。 o oo 。20 40 60 81 o1 21 。41 6 e l e c t r i cf i e l d ( 鲫蝴啪) 图1 4 高k 介质多晶硅结构载流子迁移率的衰减 因此，在采用高k 介质解决纳米尺度小的m o s f e t 栅隧穿电流增大的问题后， 还需要其他的方法解决高k 介质与多晶硅栅电极不兼容的问题。 此外，在纳米尺度下，由于很容易达到强场，而s i 沟道的载流子迁移率较低， 在强场下载流子极易达到速度饱和，这会抑制器件性能的提升。 如表1 3 所示，在3 0 0 k 时，g e 的空穴迁移率比s i 高4 倍，电子迁移率比s i 高2 5 倍，因此，采用g c 材料作为衬底沟道不但可以有效的补偿上节所讲的载流 子迁移率的衰减，而且g e 沟道中载流子本身的高迁移率特性也保证了器件性能的 提升。最后，g e 材料具有更小的带隙，使得高k 介质材料与g c 衬底材料的导带 和价带偏移量更大，这能有效减少载流子跨越势垒而形成漏电流。而这些都能更 好的适应器件尺寸不断缩小的发展趋势。 另外研究表明【墙l ，经过适当的表面钝化处理之后，g e 高k 介质界面会有比s i 高k 介质更小的界面态和界面特性( 本论文的第三章会详细介绍) 。 o o o o o o o o o o o 5 4 3 2 一西。之 eo一釜善口。墨c苗旦呲co一芝。，点 第一章绪论 表1 3g e 、s i 材料特性对比 g es i 带隙，e g ( e v ) 0 6 61 1 2 电子亲和势( e v ) 1 0 54 o 空穴迁移率 1 9 0 04 5 0 脚( c m 2 v 1 s 1 ) 电子迁移率 3 9 0 01 5 0 0 ( c m 2 v 1 s 1 ) 价带有效态密度 6 0 1 0 1 51 0 4 x 1 0 1 9 n v ( c m 。) 导带有效态密度 1 0 4 x 1 0 1 ，2 8 x1 0 1 ， n c ( c m 。3 ) 晶格常数 0 5 6 50 5 4 3 t ，a ( r i m ) 介电常数k 1 6 o1 1 9 熔点t m ( ) 9 3 71 4 1 2 克拉克数( ) 6 5 x 1 0 r 42 5 8 使用金属栅电极取代传统的多晶硅栅电极，可以有效解决高k 介质与多晶硅 栅的不兼容问题，金属栅电极可有效屏蔽表面光学声子散射和反向沟道载流子的 耦合，缓解载流子迁移率的衰减，而且，引入金属栅电极也可显著减少在多晶硅 栅电极中经常发生的p m o s 器件硼穿通问题【1 9 1 ，获得良好的电流传输特性和性能。 因此，除了采用高k 材料取代s i 0 2 作为小尺寸下的栅介质层，还需要对的s i 高k 介质多晶硅结构进行进一步的优化，目前主要利用g e 衬底材料和金属栅电 极与高k 介质相结合，使之成为g e 高k 介质金属栅结构，能得到更好的性能。 1 2g e 高k 介质的研究现状 高k 栅介质材料是介电常数大于s i 0 2 的电介质材料的泛称。目前最有发展前 景的高k 栅介质材料主要分为两大类 8 - 9 1 ：金属氧化物和氮化物。此外，还有复 合材料和多层堆叠结构。 表1 2 所示为目前主要为人们所认识的高k 栅介质材料【1 0 。1 4 1 。 6 高k 栅介质g em o s 电容特性与制各研究 表1 2 主要高k 介质材料的介电常数和禁带宽度 栅介质材料介电常数禁带宽度( e v )晶体结构 s i 0 2 3 99 非晶 s i 3 n 4 75 1 非晶 z r 0 2 2 55 8单斜、立方 h f 0 2 2 55 7非晶、单斜 立方 a 1 2 0 3 91 0 7 非晶 g a 2 0 3 10 2 1 4 24 7 y 2 0 3 1 2 1 65 9非晶、立方 l a 2 0 3 3 05 5非晶、立方 g d 2 0 3 1 25 4 t i 0 2 5 0 8 03 5 4 5 z r x s i l x o y 3 争乞55 8 9 h f x s i l x o y 3 9 一乞5 5 7 9 t a 2 0 s 2 64 5 s r t i 0 3 2 0 03 2 p r 2 0 3 1 1 1 3 非晶 z r t i 0 4 3 26 m g o 1 08 5 非晶 n d 2 0 3 1 0 4 非晶 n d 2 0 s l l - 1 44 a l x z r l x 0 2 9 2 55 8 8 8 c e 0 2 1 55 1 非晶 d y 2 0 3 74 5 非晶 e r 2 0 3 1 45 2 非晶 h 0 2 0 3 84 7 非晶 另外，还有其他很多材料其k 值和禁带宽度与上述材料类似。但是，并不是 所有的材料都可以作为高k 栅介质材料使用，般而言，要作为高k 栅介质材料， 还必须满足以下一些条件【1 5 。1 6 】： ( 1 ) ( 2 ) 高的k 值。很显然，所选择的高介电材料的介电常数必须比s i 0 2 高， 才能得到较小的e o t ，否则，若采用低介电常数的材料，这对于纳 米尺寸的器件研究是没有意义的； 优良的化学稳定性和热稳定性。我们知道，在m o s f e t 的制造过程 第一章绪论 7 中，要经历多次的高温工艺，一种材料能否经受的住高温而不和衬 底材料发生反应，或者自身发生分解是至关重要的。另外在淀积高k 料时，氧化剂是否会和衬底发生反应生成衬底氧化物层也是十分重 要的，因为这层衬底氧化物的厚度决定着等效e o t 的极限，太厚的 衬底氧化物层会使得等效氧化层厚度e o t 很难减小，所以，和衬底 具有高热稳定性和化学稳定性的材料是选择高k 介质材料的必然要 求； ( 3 )较大的禁带宽度和相对衬底有较大的导带和价带的偏移量。栅介质 的导带与价带和衬底导带与价带之间的偏移量直接影响着载流子将 要跨越的势垒高度，从而将影响隧穿电流的大小，具体的隧穿几率 和导带价带的偏移量关系如下： 亡_ 、 t = e x p 之孚乞j q - 5 ) 其中丁表示隧穿几率，咖6 为势垒高度，也就是高k 材料和s i 衬底 之间的导带价带的偏移量，k 是高k 材料的实际厚度。 图1 3 为各主要研究材料与s i 0 2 的导带和价带偏移量。 ( 4 ) ( 5 ) 5jt31气，。l，f。垂2el ：。l ，5l：， jr d a e a s o n jv a c8 d l e d m db1 8 1 7 8 5c 加0 0 ) 图1 3 各主要研究材料与s i 0 2 的导带和价带偏移量 非晶态结构。非晶态结构栅介质材料是各向同性的，不存在晶粒间 界引起漏电流增大的现象，且较容易制备，是新型栅介质材料的理 想结构； 良好的界面特性。这要求介质和衬底间的界面缺陷密度要低，s i 0 2 与s i 衬底之间的界面态密度通常被认为是2 x 1 0 1 0 c m - z e v ，而大多数 的高k 材料于s i 衬底之间的界面态密度在1 0 1 1 1 0 1 2 ( ：1 1 1 之e v 。远大 于s i 0 2 与s i 之间的界面态密度。这些界面态不仅会使平带电压漂移、 还会使得m o s f e t 中载流子迁移率退化。另外，缺陷和陷阱在禁带 眨 ” 吗 j h q q lr；黧 6 ， 2 b 0 ：l ，邀 酣气 8 高k 栅介质g em o s 电容特性与制备研究 中引入的缺陷能级会引起缺陷辅助隧穿作用机制，这就意味着即使 高k 材料有很好的能带结构，但缺陷能级会为隧穿载流子提供平台， 破坏了器件的性能。所以作为栅介质的高k 材料必须要有较低的界 面态密度； ( 6 )与栅电极的欧姆接触良好，化学性能稳定。在制备m o s f e t 是，还 要考虑高k 栅介质与栅电极之间的表面接触，栅介质与栅电极之间 的反应会严重影响m o s f e t 的性能； ( 7 )与传统的c m o st 艺相兼容。 对于高k 介质材料的研究，目前主要集中在两大类【1 9 珈】：a 和i i i b 族元素的 氧化物和氮化物、b 族元素的氧化物。 i i i a 和b 族元素的氧化物和氮化物主要包括a 1 2 0 3 、y 2 0 3 、l a 2 0 3 、l a n 等。 其中对于a 1 2 0 3 的研究最为广泛，a 1 2 0 3 具有好的稳定性和机械强度、大的禁带宽 度、良好的热稳定性能、与衬底的界面特性好等。但是a 1 2 0 3 的介电常数只有9 左 右，只能用于短期的发展要求，在更小尺寸下的发展就显得不足。目前，c h i n 等 人【2 1 l 制备了e o t = 2 1 n m 的砧2 0 3 栅极m o s f e t ，测试结果表明它具有相当低的漏 电流。当v g = 1 v 是，i i c a k 大约为1 0 s a c m 2 。 此外，y 2 0 3 、l a 2 0 3 、l a n 等栅氧介质层的实验研究均有报道。v i b 族元素的 氧化物主要有h i d 2 、z r 0 2 、t i 0 2 等，而研究最多，也最有前景的就是h f 的氧化 物及其氮氧化物。h i d 2 的k 值高，而且其与s i 的导带和价带的偏移量也足够大。 但是在高温下，h f 0 2 中的o 容易扩散至h f 0 2 衬底界面并于衬底发生反应，形成 衬底氧化物薄层。这对于e o t 的减小不利。t o s h i b a 公司的k a t s u y u k is e k i n e 等人 用不同的方法实现掺杂的h i d 2 膜的m o s f e t 。结果表明，用等离子方法引入氮元 素能够得到更小的界面态、漏电流、更高的载流子迁移率，同时又能保证好的热 稳定性和对硼扩散的抑制能力。 除了单元素化合物外，人们还展开对以上元素的二元、三元及以上化合物的研 究。例如：l a a l 0 3 、l a 2 h 最0 7 、h f a i o x 等。二元化合物具有以下优点：( 1 ) 介电 常数与电压无关；( 2 ) 能够有更高的击穿场强；( 3 ) 容易以c v d 的方法进行批量 生产；( 4 ) 能够耐受更高的工艺温度；( 5 ) 化学元素比例更容易控制。所以现今 阶段在d r a m 中，二元的薄膜被广泛的使用。而随着技术的发展，对于m o s f e t 的栅氧化层的性能要求会越来越更高，对于高k 介质的使用也就有更高的要求。 现今栅氧化层的e o t 厚度已经要求在l n m 以下，据预测到了2 0 1 6 年，栅氧化层 的e o t 将降至0 5 n m 以下，这就使得任何一种二元的高k 材料都不能满足业界对 于栅氧化层性能的要求，所以在m o s f e t 的栅氧化层中，高k 材料今后的发展将 使用三元或者更多元的化合物为主。 另外，堆垛结构也代表了一种新的技术发展方向，第三章会详细介绍。 第一章绪论 9 对制备高性能的g e m o s 器件来说，栅介质和衬底间的较差的界面质量是目前 面临的最主要问题。解决方法是通过各种工艺手段改善栅介质和衬底间的界面质 量，通用的三种方案是衬底表面钝化、栅介质淀积后退火( p d a ) 和金属化后退 火( p m a ) 。一般来讲，这三种方法都能够有效改善g e 高k 介质界面质量。 高温难熔金属氮化物常被用来作为表面钝化层，它们具有高的热稳定性和较高 的介电常数( h 肝2 0 ，a i n - , 9 1 3 ，t a n 1 5 2 6 ) 。可有效抑制元素相互扩散及其带 来的不良影响。 k u r i y a m l 2 2 】等研究了对于不同栅电极材料a l 和a u ，l a 2 0 3 的淀积后退火( p d a ) 和金属化后退火( p m a ) 特性，并与原位快速热退火比较，发现p d a 能明显改善 它的界面态密度和泄漏电流特性，但会导致较大的平带电压漂移，而p m a 能有效 的抑制平带电压漂移；同时也发现，对于a u 栅电极，p m a 导致一个负的平带电 压漂移。如采用p d a 加上p m a 则能有效提高器件各方面的性能：抑制平带电压 漂移，改善界面态密度和泄漏电流特性。n g 2 3j 等研究了厚度只有1 2 9 2 3 3i i n l 的 l a 2 0 3 栅介质m o s f e t 沟道迁移率，发现在3 0 00 c 及以下的p m a 能增大沟道迁 移率，最高迁移率达到3 1 9c m 2 v s 。 1 3 本论文的主要内容 本文的主要研究内容和工作安排如下： 第一章绪论部分先简介了本文的研究意义，在纳米尺度下如何使集成电路按照 等比例缩小继续发展，解决纳米尺度下栅氧化层会出现的击穿问题、漏电流增大 问题、转移特性畸变问题和载流子迁移率退化问题等。介绍了一些基本概念和原 理，说明了高k 介质取代传统的s i 0 2 栅介质的必要性和高k 介质的选择问题，以 及g e 高k 介质金属栅电极结构的优势。最后简述了g e m o s f e t 高k 介质研究 的现状。 第二章先介绍了淀积高k 介质薄膜的三种方法，重点研究了a l d 的生长原理、 流程和优势。给出了各主要高k 介质材料生长的前驱体和生长过程。然后介绍了 金属栅电极的制备方法。最后说明了m o s f e t 的一些微结构表征方法。 第三章研究了g e 高k 介质的界面特性，重点介绍了几种改善g e 高k 介质界 面质量的方法，包括g e 表面钝化处理、界面f 化、p m a 、p d a 等。然后依据大 量的文献资料提出了自己的关于解决g e 高k 介质界面质量问题的一般性推论，并 利用本文中的所给出的例子进行验证。最后提出了一种可能的的优化的工艺方案 和实验方案。 第四章首先介绍了m o s 电容的一些电学特性曲线及相关参数的测量和提取方 法( 本论文中用到的方法给予重点介绍) 。包括：栅氧化层厚度、栅介质陷阱和界 1 0 高k 栅介质g em o s 电容特性与制备研究 面态密度、m o s 电容的c v 曲线。然后讲述了本论文进行的g e m o s 电容实验制 备和测量，即利用a l d 生长技术在g e 衬底上分别淀积h f 0 2 、a | 2 0 3 和n d 2 0 3 栅 介质，制备出了简单的m o s 电容并进行测量。分析实验结果并计算相关参数，最 后指出了本次实验制备方面的一些不足和缺陷，提出了一些改进。 第五章对本论文进行归纳总结，提出了存在的尚需解决的问题，展望高k 介 质的未来发展和应用。 第二章高k 介质薄膜的生长方法和结构表征l l 第二章高k 介质薄膜的生长方法和结构表征 在m o s f e t 的制造过程当中，高k 介质薄膜的淀积是必不可少的。而薄膜的 淀积方法在很大的程度上影响着介质薄膜的质量和特性，因此，介质薄膜的生长 工艺必须要和预期的生产成本、主流工艺相匹配。 2 1 高k 介质薄膜的生长方法 2 1 1电子束蒸发淀积高k 栅介质薄膜 若要用电子束蒸发来淀积高k 介质薄膜，则需要用到电子束蒸发( e b e a m ) 系统。一般而言，e b e a m 系统主要是由一个执行真空蒸镀的蒸镀室和提供真空度 的真空系统组成 2 4 1 ，如图2 1 所示。 e b e a m 的工作原理是先利用电流加热灯丝，而处于高热的灯丝容易游离出电 子，在经由高电场加速形成热电子束照射坩埚中的材料，使其熔化蒸发淀积在衬 底上。 图2 1e - b e a m 系统基本原理图 电子束蒸发的特点主要有以下三点： ( 1 )由于电子束轰击热源的束流密度较高，因而获得的能量密度较大， 可以将熔点高达3 0 0 0 以上的材料蒸发，蒸发速度快； 1 2 高k 栅介质g em o s 电容特性与制备研究 ( 2 )由于被蒸发的材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发， 以及容器材料与蒸镀材料之间的反应，故其镀膜的纯度较高； ( 3 )热量可直接加热到蒸镀材料的表面，因而其热效率高，热传导和热 辐射的损失少。 2 1 2 磁控溅射淀积高k 栅介质薄膜 与e b e a m 淀积高k 栅介质薄膜一样，磁控溅射淀积高k 栅介质薄膜需要用 到磁控溅射系统1 2 纠。 其工作原理是在被溅射的靶极( 阴极) 与阳极之间加一个正交磁场和电场， 在高真空室中充入所需要的惰性气体( 通常为a r 气) ，永磁铁在靶材料表面形成 2 5 0 - - 3 5 0 高斯的磁场，同高压电场组成正交电磁场。在电场作用下，a r 气电离成 正离子和电子，靶上加一定负高压，从靶上发出的电子受磁场的作用于工作气体 的电离几率增大，在阴极附近形成高密度的等离子体，a r 离子在洛伦兹力的作用 下加速飞向靶面，以很高的速度轰击靶面，使靶上被溅射出来的原子遵循动量转 换原理以较高的动能脱离靶面飞向衬底淀积成薄膜。 测控溅射的特点有以下方面： ( 1 ) 金属、合金或绝缘体材料均可作为薄膜材料； ( 2 ) 若在惰性气体气氛中加入氧或者其他的活性气体，可以制作出靶材物 质和气体分子的混合物或者化合物； ( 3 ) 靶材料输入电流及溅射时间可以人工控制，容易得到高精度的薄膜； ( 4 ) 可生长大面积的均匀薄膜； ( 5 ) 衬底与薄膜的附着强度是一般蒸镀膜的l o 倍以上，而且由于溅射粒子 带有高能量，在成膜面会继续表面扩散而得到硬且致密的薄膜，同时 此高能量基板只要较低的温度即可得到结晶膜； ( 6 ) 可生产1 0 n m 以下的极薄连续膜。 2 1 3a l d 淀积高k 介质薄膜 原子层淀积( a t o m i cl a y e rd e p o s i t i o n ) 是2 0 世纪7 0 年代，由s u n t o l a 提出【2 6 】， 最初主要应用于淀积t f e l 平板显示器的发光薄膜。到了2 0 世纪8 0 年代中期，该 技术开始被用来制备多晶薄膜、m v 和i i 族半导体薄膜以及非晶绝缘a 1 2 0 3 薄 膜，但是由于其淀积速率比不上c v d 和p v d 等传统工艺，a l d 技术在工业界并 没有引起重视1 2 7 j 。 然而，随着半导体器件尺寸的不断减小，需要淀积的介质层薄膜厚度也在进 一步减小，特别是在纳米尺度下，a l d 技术将在半导体制造工艺中得到广泛的应 第二章高k 介质薄膜的生长方法和结构表征 1 3 用【勰】。 原子层淀积是通过将气相前驱体脉冲交替的通入反应腔，在基体上产生化学 吸附并相互反应形成薄膜的一种技术。在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对反应 腔进行清洗嗍。 缓弘强嬲箩怒7 懑。凳秘曩；“泓i ：，= _ oj s t e p1 孰孰骇q 耘耘 瑗ei ；鬈；一* 瞧0 ， 善；j i 囊。毫i i s t e p 2 s t e m c 1 3 0 ( s u r f a c e 十h o 一( s u r f a c e - - m c 1 2 0 2 ( s u r f a c e 十h c i ( g 枣一拿一童 s t e p4 譬童一个分拿 趴n 入一h 佃 m 0 2 0 秘2 ( s u r f a c e ；每戮e l 毒鬈哆 m 0 2 m c l 2 0 2 ( s u r f a c e ，l 专2h ci ( g s t e p5 拿一拿p 譬 图2 2a l d 原理及步骤图 1 4高k 栅介质g em o s 电容特性与制备研究 如图2 2 所示，一个a l d 反应周期分为5 个步骤： ( 1 ) 第一种反应前驱体以脉冲的方式进入反应腔，并化学吸附在基体表面； ( 2 ) 用惰性气体将多余的反应前驱体和副产物清除出反应腔； ( 3 ) 第二种反应前驱体以脉冲的方式进入反应腔，并与步骤( 1 ) 中化学吸 附在基体表面上的第一种前驱体发生化学反应，生成薄膜； ( 4 ) 反应完全后，在用惰性气体将多余的前驱体及副产物清除出反应腔； ( 5 ) 在步骤( 4 ) 完成之后，再次循环进入步骤( 1 ) 开始下一层薄膜淀积， 直到完成预期厚度的薄膜为止。 以上五点即是a l d 淀积薄膜的基本步骤，也是a l d 淀积薄膜的基本原理。 还应当注意的是，在步骤( 1 ) 中，当基体表面化学吸附饱和后，吸附的前驱体总 量就不在随时间增加。在步骤( 3 ) 中，反应是以第一种前驱体的耗尽为终止，所 以每个周期生长的薄膜都只有一个单原子层，这就是a l d 技术的自限制性 ( s e l f - l i m i t i n g ) 。 可见，通过控制反应周期数就能精确控制薄膜的厚度，通过控制前驱体脉冲 的成分就能控制薄膜的化学组成。 a l d 技术还具有以下几个优点刚： ( 1 )由于a l d 生长属于自限制的生长过程，这使得薄膜厚度只取决于 淀积脉冲循环的次数，这样就能在实际生产中精确简单的对薄膜厚 度进行控制，对于大面积的淀积薄膜一致性较好，无颗粒污染； ( 2 )由于是分次通入反应剂，而且在各反应前驱体之间会通入惰性气体 对反应腔进行清洗。这样就是足够长的时间充分反应，不会产生额 外副产物； ( 3 )淀积过程中可以对温度进行控制，这样可以使不同的反应在不同的 温度下进行，有利于提高气体的反应性，而且反应剂的选择性也更 加广泛； ( 4 )由于每个周期在整个表面都只生成一个原子层，薄膜厚度的均匀性 非常好； ( 5 )a l d 技术具有很好的台阶覆盖能力，深宽比达到4 0 ：1 ，甚至是7 0 ：1 时都可以达到1 0 0 覆盖； ( 6 )a l d 技术应用广泛，可以淀积多种材料，包括目前使用的绝大多数 高k 介质薄膜( 如表2 1 所示) 【3 ，而且，对于同一种薄膜的淀积 可以采用不同的前驱体以适应不同的条件( 如表2 2 所示) 【3 l 】，有 一定的反应物自由度； 第二章高k 介质薄膜的生长方法和结构表征1 5 表2 1 可用a l d 技术淀积的薄膜材料 i i v ic o m p o u n d sz n s z n sz n t ez n sz - x s e xc d s c a ss r sb a s s r s t - x s e x c